Thème 2 : Mouvement et interactions
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Thème 2 : Mouvement et interactions
A. Interactions électrostatiques et loi de Coulomb
1- Charge électr ique La charge électrique est une caractéristique possédée par certaines particules qui peuvent subir une interaction électrostatique. Dans la mesure où ces interactions peuvent être attractives ou répulsives, il faut distinguer deux catégories de charges : les charges positives et les charges négatives. L’unité de charge électrique est le
coulomb noté . Il existe une charge élémentaire notée qui correspond à la plus petite valeur de charge électrique portée par une particule.
= 1,6 × 10−19
La charge électrique d’une particule est généralement notée . Au niveau macroscopique, toute charge électrique associée à un objet est un multiple de cette charge élémentaire, ainsi la charge d’un corps A se calcule ainsi :
() = ×
() est la charge du corps en . est la charge élémentaire. ∈ et || est le nombre de charges élémentaires que possède le corps .
Remarque :
La charge d’un électron est − . La charge d’un proton est La charge d’un atome est 0 car un atome est électriquement neutre.
La charge du noyau de l’atome de carbone de symbole 612 se calcule ainsi :
( 612 ) = × = 6 × 1,6 × 10−19 = 9,6 × 10−19
2- Electr isation par frottements La matière est généralement électriquement neutre mais il est possible par frottement d’arracher ou d’apporter des électrons à un objet qui devient alors électriquement chargé. Si l’objet perd des électrons alors il acquiert une charge positive. Si l’objet gagne des électrons, alors il acquiert une charge négative.
Entre deux objets chargés, il existe une interaction :
Répulsive entre deux charges de même signe (entre deux charges négatives ou entre deux charges positives).
Attractive entre deux charges de signes opposés (entre une charge positive et une charge négative).
Exemple :
On prend une règle initialement neutre car les atomes qui la constituent sont électriquement neutres. On frotte une règle avec un chiffon. Cette opération va arracher des électrons à la règle qui devient alors chargée positivement. On approche cette règle électrisée d’un filet d’eau et observons ce qu’il se passe :
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0
On observe que l’eau est déviée. En effet comme nous l’avons vu dans le chapitre 6 : « cohésion et dissolution des solides », l’eau est une molécule polaire :
Ainsi, zone de la molécule d’eau chargée positivement va être attirée par la zone de la règle chargée négativement. Alors, l’eau est déviée.
3- Loi de Coulomb pour l’ interaction électrostatique
a. Interaction électrostatique Deux corps et , de charges respectives et , exercent l’un sur l’autre des actions électriques
modélisées par des forces représentées par des vecteurs / et / qui ont :
Pour direction la droite (). La même valeur / = /. Des sens contraires.
Illustration :
b. Loi de Coulomb La loi de Coulomb permet de calculer la valeur de l’intensité d’une force électrique s’exerçant entre deux objets ponctuels chargés :
/ = / = × | × |
²
3
0
/ / sont les nomes des forces électriques en .
est la constante de Coulomb ( = 9,0 × 109 .2−2 dans l’air). sont les charges portées par les objets et en . est la distance séparant les objets ponctuels et en .
Ainsi, la norme de la force augmente quand la valeur absolue du produit des charges électriques portées par les deux objets augmente. Et, elle diminue lorsque la distance séparant les deux objets augmente.
Les deux objets s’attirent lorsque leurs charges sont de signes opposées et ils se repoussent lors que leurs charges sont de même signe. Leur orientation est donc opposée :
/ = × ×
² × = − /
est le vecteur unitaire orienté de vers , sa norme est égale à 1.
FIGURE 1 : REPRESENTATION VECTORIELLE DE LA FORCE DE COULOMB
4- Analogie entre les interactions gravitationnelle et électrostatique
È= lxan-Y.rs à
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1- Notion de champ
a. Champ scalaire Définition :
Un champ est une grandeur physique associée à chaque point de l’espace. Un champ est dit scalaire si la grandeur physique est caractérisée uniquement par des valeurs numériques.
Exemple :
Ici, chaque point de l’espace est caractérisé par la température qui y règne. On parle alors de champ scalaire de température.
FIGURE 2 : CHAMPS SCALAIRE DE TEMPERATURE
b. Champ vectoriel Définition :
Un champ est dit vectoriel si la grandeur physique correspondante est caractérisée par des vecteurs.
Exemple :
Ici, chaque point de l’espace est caractérisé par le vecteur vitesse du vent. En effet, le vecteur vitesse associé à la vitesse du vent nous renseigne sur la direction, le sens et la valeur de la vitesse.
FIGURE 3 : CHAMPS VECTORIEL DE LA VITESSE DU VENT
× Paris
5
0
Définition :
On dit qu’un champ est uniforme lorsqu’il a les mêmes caractéristiques en tout point :
Champ scalaire uniforme : même valeur en tout point. Champ vectoriel uniforme : même vecteur en tout point.
2- Champ électrostatique et cham gravitationnel Il règne un champ de gravitation noté en un point de l’espace si une particule de masse est placée en ce
point est soumise à une force de gravitation notée .
Il règne un champ électrostatique noté en un point de l’espace si une particule de charge électrique
placée en ce point est soumise à une force électrostatique .
Un champ uniforme peut être créé en appliquant une tension entre deux plaques métalliques parallèles distantes de :
La valeur du champ créé s’exprime par la relation
=
est la valeur du champ en .−1 ou . −1.
est la tension électrique entre les deux plaques
en . est la distance séparant les deux plaques métalliques en .
3- Cartographier un champ
a. Définit ion Cartographier un champ consiste à déterminer les caractéristiques de ce champ en plusieurs points de l’espace et à en donner une représentation.
FIGURE 4 : CHAMP CREE ENTRE DEUX PLAQUES METALLIQUES
CHARGEES
P ¥
6
0
Exemple :
Voici deux exemples de cartographie d’un champ électrique et d’un champ gravitationnel :
Une ligne de champ vectoriel est une ligne tangente en chacun de ses points au vecteur champ. Elle est toujours orientée par une flèche dans le même sens que celui du champ.
Le champ est d’autant plus intense dans une région de l’espace que les lignes de champ y sont resserrées.
FIGURE 6 : CARTOGRAPHIE DU CHAMP DE GRAVITATION TERRESTRE. LE CHAMP EST RADIAL ET CENTRIPETE
b. Champ électrique créé par une charges ponctuel le Le champ est :
Radial et centripète pour une charge négative. Radial et centrifuge pour une charge positive.
c. Champ de pesanteur terrestre Au voisinage de la Terre, un objet est soumis à son poids = × . Le champ gravitationnel peut alors être
assimilé au champ de pesanteur de norme =
, dont la direction est verticale par rapport à la surface de
la Terre, orienté vers le centre de la Terre (voir figure 6).
FIGURE 5 : CARTOGRAPHIE DU CHAMP
ELECTRIQUE CREE PAR UNE CHARGE
PONCTUELLE
ËË
B : FAUX . d '
D: VRAI .
Axiom ) '
note : Ê= mxoj Réponse C. Ê = j m
noz to + A
A- Vraie
B : Faux nom : Lorsque l'enfant frotte le ballon sur le pullen laine, c. Faux. le ballon s'électrise
, il devient chargé électriquement .
D: FAUX . Alors il peut modifier la position d' équilibre des cheveux mouetta
. du garçon.
Cela est possible grâce à la faible masse des cheveux .
c
:
non :X FAB = kx 19ff41 = 9,0*09×1 -40×15×10-9×6, oxnixro "
) (10×10-2)
= 0,11N .
2) Les deux boules étant de charges opposées, elles s' attirent .
n°14 : →
Ê < , Et
> Ê > à
Protons ( s
Fg = 467mi " xd,EtxroÀ (432%-6×10-9)
a = 446 X là